（电力系统及其自动化专业论文）分布式母线保护新型通讯方案的研究.pdf

声明户口明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文分布式母线保护新型通讯方案的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王7 凡名玉日期：2 o d 5 ，2 如 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垒兰垫扎 导师签名：碰 日期：矽堕：垡：少 华北电力人：学硕十学位论文 第一章引言 母线是发电厂和变电所的重要组成部分，是电力系统中极为重要的元件，是输 配电的枢纽。因此，母线工作的可靠性将影响到电力系统的安全稳定运行。高压母 线是电能汇集与分配的枢纽，高压母线故障是电力系统最严重的故障之一，必须以 极快的速度切除，否则将会引起事故的扩大，破坏电力系统的稳定运行，造成电力 系统的瓦解事故。因此，研究可靠性高、选择性好、动作速度快的母线保护一直为 继电保护工作者们所关注。_ 1 1 1集中式微机母线保护的优缺点 目前国内的母线保护多为集中式微机母线保护，即将母线上各条出线c t 的二 次侧按同极性分别相连，并在模拟量和回路上接入差动继电器构成保护。在硬件结 构上，集中式微机母线保护因袭了传统保护的作法，即将各条出线的c t 二次侧用 电缆引至控制室的保护屏上。微机母线保护一般没有公共的差电流回路，并且利用 软件补偿来解决电流互感器( c t ) 变比不一致的问题，对数字量运算还便于采用更 为复杂、可靠的判据。1 但是集中式微机母差保护也存在以下缺点： 随着电力系统自动化水平的提高以及微机保护在电力系统中的广泛应用、变 电站综合自动化在全国的逐步推广，保护分散布置、就地化已成为发展的趋势，微 机型母线保护也将成为整个变电站保护和控制的一部分。综合自动化变电站往往采 取分层分布式布置，前置单元布置于开关场内，变电站后台监控及远动与前置单元 之间的通讯通过网络或现场总线进行，其介质仅为少量的通讯电缆或者光缆。而作 为综合自动化变电站一部分的母线保护，如采】；1 ) ( 集中布罱，就必然存在大量的从丌 关场连接到控制室的二次电缆，这不仅会提高整个工程的造价，而且造成整个变电 站设计与建造的不协调，导致维护与管理上的困难。 从c t 二次侧到控制室的二次电缆使得c t 二次阻抗较大，不利于防止c t 饱 和。 从c t 二次侧到控制室的二次电缆较长，也使得模拟电流信号容易受到变电 站强电磁干扰的影响。 随着电网规模的日益扩大，变电站母线上的出线数日益增加，母线保护所要 处理的信息量也随之增大，这对于集中式数字保护中c p u 的处理能力提出了更高的 要求，从而导致了保护硬件结构的复杂化，可靠性降低，无法适应就地布置的要求。 从另一个方面来说，集中式微机母线保护的结构及其处理能力也限制了它的灵活性 和扩展性。1 1 华北电力大学硕士：学位论文 因此，研制具有面向间隔、分散处理功能、采用计算机网络技术的分布式母线 保护已经成为现实和迫切得任务。 1 2分布式微机母线保护需要解决的问题 分布式微机母线保护克服了集中式微机母线保护的缺点，将集中式微机母线保 护各项工作分布实现，即分布式数据采集、分布式数据存储及算法和保护功能的分 布式实现，提高母线保护动作的可靠性、选择性和速动性，更加满足了电力系统安 全稳定运行对母线保护的要求，适应了母线保护的发展趋势。但是它们与集中式微 机母差保护相比，还需要解决两个技术难题： 实时传输大量数据。分布式母线保护的各保护单元分散布置，只对本单元的 电流进行采集和a d 转换，为了得到其它单元的采样数据，必须借助与通信网络， 而数据的传输需要在一个采样间隔内完成，也就是说各保护单元均要在一个采样间 隔内得到其它所有保护单元的采样数据，因此需要高速、可靠的通信网络。 高精度的同步采样技术。采样值差动算法是以基尔霍夫电流定理为基础的， 其基本要求就是参与计算的采样值必须在同一时刻采集，因此要求各f a j 隔单元之i 训 的采样同步必须保持较高的精度。 为了解决这两个技术难题，国内外的研究机构提出了各种分柿式母线保护通信 方案，如日本东京电力公司研制的采用i e e e 一8 0 2 4 令牌总线协议局域网的分布式母 线保护、i e e e 8 0 2 5 令牌环局域网、a b b 公司研制的r e b 5 0 0 型分布式母线保护、 以及基于光纤数据通讯接口f d d i 的分布式母线保护。在参考以上各种通信方案的 基础上，本文设计了一种新型的通讯网络，并根据本通讯网络提出了一种采样同步 方法。 1 3 论文意义和所作工作 1 3 1 论文的意义 分布式母线保护分为完全分布式和不完全分布式两种。1 完全分布式指装置完 全就地化，各个单元平等，无主从关系，这种分布式方式只能分布放置。不完全分 布式指绝大多数单元就地化，而有少数单元需要集中放置。分布式母线保护与传统 的集中式母线保护相比，具有以下的优点： 1 ) 分布式母线保护是在间隔单元处就地进行采样等功能。其中完全分布式采用 就地判别，不完全分布式采用把采集的各单元数据送至中央单元进行判别。 因此减少了二次电缆的铺设，既降低了工程造价，又缩短了c t 二次电缆的 长度。从而减少了c t 的二次阻抗，有利于防止c t 饱和。 2 ) 分布式母线保护利用光纤作为通信链路的介质，可较好的防御变电站的电磁 2 华北电力人! 学硕j = ! 学位论文 干扰。 3 ) 分布式母线保护与相应的线路保护或变压器互为备用，从而实现了保护的双 重化。 4 ) 分布式数据通信是各单元采集的电流( 电压) 数据，通过分布式的通道，高 速、实时的传输。为保护的快速判别创造了条件，并可方便的实现变电站的 数据和信息资源共享。 5 ) 分布式母线保护可以和变电站的分布式结构相适应。 6 ) 可使得由于人员误操作、误碰等原因造成母线上所有断路器跳闸等恶性事故 的机会大大减小。 1 3 2 论文的工作 论文首先分析了现有的几种分布式母线保护的通信网络的优缺点，在此基础 上，提出了一种新型的分布式母线保护通信方案，即光纤双环传输通道，并提出了 一种同步对时方案。该方案实时性好，可靠性高，很好的满足了分布式母线保护实 时通讯的要求，同时各单元之间采用令牌环式的通讯标准，因此避免了在通讯时产 生冲突。所设计的软硬件相结合的同步方法同步精度高，性能优越，完全符合分布 式母线保护同步采样的要求。 使用p r o t e l l 绘制了通信电路图，并制作了光纤通信板，进行了软件编程，并利 用m s p 4 3 0 进行调试。 3 华北电力人! 学硕= t = o4ll 竹伸帧区五五压五匝面玉面五压王正匾习 ? 、 ，一，7 7 、 ，7 7 j、， j 7l238 ，7 医二匠因 丑丑删 图2 48 0 2 5 标准m a c 帧格式 1 ) 令牌帧 由图看出，令牌帧由起始字段、访问控制字段和结束字段组成，共占三个字节， 各字段的作用如下。 i 起始字段和结束字段：表示帧的开始和结束，各占一个字节，其中每个字段 都有4 位“特殊比特”。 i i 访问控制字段：占一个字节，各个比特含义如下： 3 个优先级比特p p p ：表示优先权等级，共分8 级，0 0 0 为最低优先级， 8 华北l 乜力人! 学硕士学位论文 1 11 为最高优先级，当不使用优先级时p p p = 0 0 0 。 ， 令牌比特t ：这是一个关键的比特。若t 比特等于0 ，表示令牌帧；若 t = 1 ，表示非令牌帧。当等待发送数据的工作站监测到一个令牌的优先 级等于或小于待发送数据帧的优先级时，便将空闲令牌截获下来，并把 空闲令牌的令牌比特t 从0 变为1 ，然后丢弃该令牌结束字段，再将非 令牌帧的第三个字节以后的字段都加上去，构成一个要发送的非令牌 帧，发送到环上去。 监督比特m ：用来防止忙令牌在环上无限循环而设置的。 3 个预约比特r r r ：用来预约发送权的，它允许希望发送较高优先级帧 的申请下一个令牌。 2 ) 数据帧( 非令牌帧) 数据帧共有九个字段，其中起始字段和访问控制字段的含义与令牌帧完全相同， 下面介绍其它字段的作用。 i 帧控制字段：占一个字节，自，j 两位f f 为类型比特，表示帧的类型；后六位 z z z z z z 为控制比特，表示控制帧的种类。 i i 目的地址和源地址：其含义和i e e e 8 0 2 3 标准相同，两者位数必须相等，或 占2 个字节，或占6 个字节。 i i i 数据字段：该字段长度最小值为0 ，其最大值受令牌旋转一周的最大时问限 制。 i v 帧校验序列f c s ：占4 个字节，采用3 2 位循环冗余校验c r c 码，校验范围 从帧控制字段到数据字段。 v 帧状态字段f s ：占一个字节。在这一字段中设置了两个a 比特和两个c 比 特，另外四个比特为任意值。 目的站不存在或未加入到环路中( a = 0 ，c = 0 ) 目的站在环上但未将数据复制到站内( a = 1 ，c 一0 ) 目的站在环上且已将数据复制到站内( a = l ，c = 1 ) v i 结束字段e d ：它与令牌中的e d 相似，但最后一位为e 比特，即差错比特。 发送站发送完一帧时，将e 比特置为0 ，以后每经过一站，在转发时都通过 f c s 判断此帧是否出错，出错将此比特置为1 。 2 3r e b 5 0 0 型分布式母线保护1 1 a b b 公司研制的r e b 5 0 0 型分布式母线保护是一套比较成熟的分布式母线保 护，在国外也得到了较为广泛的应用。 这种新型保护系统是面向间隔的，而且可以将所谓的间隔单元( b u ) 安装在靠近 9 华北电力大学硕士学位论文 开关设备的间隔级控制与保护柜上，每个b u 通过专用光纤总线与中央单元( c u ) 相连，中央单元( c u ) 汇集间隔单元( b u ) 上传的数据并执行全部算法及其他功 能。该系统可安装于中性点不接地、接地、经消弧线圈接地的电网中，可应用于单 母线、双母线、三分段母线、四分段母线及带有旁母等各种母线运行方式。该保护 的系统结构简图如图2 5 所示。 图2 5r e b 5 0 0 分布式母线保护结构图 b u 单元由通用接口模块、a i p ( 模拟量输入与处理模块) 、b i o ( 丌入丌出模块) 、 光纤接口模块、电源模块等部分组成。a i p 对电流量进行每周4 8 点采样，并进行模 拟滤波和数字滤波( 每周四次) ，将采样电流值化为电流相量，然后将这些相量带 上相应的时标，在算法设定的时间问隔内传送到c u 单元。同时，b i o 还对断路器 及隔离刀闸的位置进行检测，将从c u 接受到的跳闸信号作用于出口跳闸继电器。 c u 负责进行算法处理及故障检测，以及母线运行方式识别、自适应进行保护区的 配置、与变电站控制系统( s c s ) 的同步与互联。c u 由c m p ( c u 单元主处理器) 部分、c s p ( c u 单元从处理器) 部分、光纤星型耦合器等部分组成。b u 单元与c u 单元之间用速率为1 5 m b s 现场总线互联，数据采用曼彻斯特编码并且用8 位汉明 距离确保数据的准确性。 该保护采用比例差动与电流相位比较这两种相对独立的算法，二者通过与门出 口。对于小电流接地系统，该保护还考虑了零序相位比较判据。 这种方案的缺陷在于为了完成大量的数据处理工作，c u 单元采取多c p u 并行 处理的体系，而且必须装设一定数量的星型耦合器与各b u 单元通信，硬件结构相 对复杂，不适于下放布置；此外，各b u 单元承担的任务相对较少，这在一定程度 上也降低了该系统的性能价格比。采用向量算法，虽然降低了对通信速率的要求， 但是却导致了计算数据窗过长，降低了保护动作的速度。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 4 基于光纤数据通讯接口f d d i 的光纤局域网1 光纤分布式数据接口f d d i ( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) 是一个使用光纤作 为传输媒体的令牌环形网。它先是在a n s i 的标准委员会x 3 t 9 5 通过为美国的标准， 随后被i s o 通过为国际标准i s 0 9 31 4 。f d d i 也常被划分在城域网m a n 的范围。 f d d i 的主要特性如下： 使用基于i e e e 8 0 2 5 令牌环标准的令牌传递m a c 协议； 使用8 0 2 2 l l c 协议，因而与i e e e 8 0 2 局域网兼容； 利用多模光纤进行传播，并使用有容错能力的双环拓扑； 数据率为1 0 0 m b s ，光信号码元传输速率为1 2 5 m b a u d ； 10 0 0 个物理连接( 若都是双连接站，则为5 0 0 个站) ； 最大站间距离为2 0 0 0 m ( 使用多模光纤) ，环路长度为10 0 0 0 m ，即光纤总长 度为2 0 0 0 0 m ； 具有动态分配带宽的能力，故能同时提供同步和异步数据服务； 分组长度最大为4 5 0 0 字节。 f d d i 使用的是多模光纤，因为在速率仅为1 0 0 m b s 的条件下，使用单模光纤是 不经济的。使用多模光纤就可以使用便宜的发光二极管l e d ，而不必使用昂贵且可 能伤害眼睛的半导体激光器。使用光纤进行传输可使误码率小于2 5 1 0 。1 0 。 f 断开 e a d b c 图2 6 单个保护单元断开时形成单环 为了提高通信的可靠性，f d d i 采取了另外的叫做自恢复的措施。这种措施是使 用两个数据传输方向相反的环路。即主干环和辅环。其中一个在正常情况下传输数 据，称为主环；另外一个起备份作用，只在主干环网故障时才用来传输数据，称为 辅环。这种双环结构比较符合母线保护的高可靠性的要求。当某一站点发生故障时， f d d i 会自动隔离站点，而不影响其他站点的正常工作。而且，f d d i 允许环上同时 有多个令牌旋转，大大提高了通道的利用率。 正常工作条件下，主环负责数据信息的传送，而辅环则可以用来传送综合自动 1 1 华北电力人! 学硕+ 学位论文 化所需的各种信息，如打印信息等。一个单元故障情况下，则网络将工作于卷绕模 式。即故障节点相邻两端的节点内部的端口自动短接，使原来的双环在故障节点分 别回绕，形成一个单环，隔离故障点。因此在一个站点出现故障时，系统有自动修 复功能。如图1 2 所示，当f 点出现故障，则相邻的a 点和e 点内部的主环和辅环 自动短接，则系统自动形成了包括a b c d e 在内的新系统，f 点被隔离到了系统之 外。 但是，f d d i 也有其固有的缺点。整个物理协议实现由一套芯片组完成，软、硬 件开发工作量大。f d d i 光线局域网虽能实现分布式母线保护所需的全部功能，但 母线保护对f d d i 的利用率太低，在一定程度上造成了浪费。同时，分布式母线保 护传送的有用信息较短，但由于f d d i 自身的需求，所需要增加的冗余码比较多， 造成报文的编码效率比较低。 此外，为了实现模拟量采集的同步，f d d i 网络使用了分布式的时钟信号，因此 每个网络节点都采用本地时钟发送和转发数据。各本地时钟频率之间存在误差。为 防止频率抖动的累积，每个节点必须从数据流中提取的恢复时钟接收数据，而用本 地时钟发送数据，但这将会引起数据的上溢和下溢。 2 5 分布式母线保护的新型通信方案 通过总结国内外的分布式母线保护的通信方案后，本文提出了一种新型的分布 式母线保护通讯方案，即基于光纤通信的光纤双环传输通道，该方案采用令牌环式 的通信标准，即某单元持有令牌，则它处于主发状态，其它单元处于接收和转发状 态。在传输介质的选择上，本文选择了光纤，是因为光纤具有以下的优点。 2 5 1 光纤通信的优点 由于光纤通信是利用光导纤维传输光信号来实现通信的，因此比起其他通信方 式有其明显的优越性。光纤具有传输容量大、传输损耗小、重量轻、不怕电磁干扰 等一系列优点。光纤的使用可以保证通信的质量不受强电磁干扰和过电压的影响， 这使得光纤通信系统可以在变电站或电厂的高压丌关厂这样电磁干扰极强的环境 下运行。1 2 1 1 传输容量大 光是频率极高的电磁波，以它来作为信号的载体可传输极宽的信号频谱。在光 纤中传输的激光在可见光范围内，属于近红外线范围，波长在o 7 5 2 5 a n ，频率约 为3 1 0 h z 。若以其1 10 作为传输频带，则可传约1 0 1 0 路电话。因此光纤在单位面 积上有极大的信号传输能力，即单位面积上的信息密度极高，传输容量极大。 2 传输损耗小，中继距离长 目前单模光纤在1310 n m 波长窗口损耗为o 3 5 d b k m ，15 5 0 n m 窗口损耗为 12 华北i 乜力人：学硕j = 学位论文 0 2 d b k m 。而且在相当宽的频带内各频率的损耗几乎一样，因此用光纤比用同轴电 缆或波导管的中继距离长的多。波长为15 5 0 n m 的色散位移单模光纤通信系统，若 传输速率为2 5 g b i t s ，则中继距离可达15 0 k m ；若传输速率为1 0 g b i t s ，则中继距 离可达l0 0 k m ；若采用光纤放大器、色散补偿光纤，中继距离还可增加。 3 泄漏小，保密性好 光在光纤中传输时，向外泄漏的光能很微弱，难以被窃听。因此比无线、有线 通信的保密性能好，信息在光纤中传输非常安全。 4 节省大量有色金属 制造通常的电缆需要消耗大量的铜和铅等有色金属。以四管中同轴电缆为例， 1k m 四管中同轴电缆约需4 6 0 k g 铜，而制造lk m 光纤，只需几十克石英。而且制造 光纤的石英丰富而且便宜，取之不竭。 5 抗电磁干扰性能好 光纤由s i o ，材料制成，它不受各种电磁场的干扰。强电、雷击等也不会影响光 纤的传输性能。甚至在核辐射的环境中，光纤通信仍能f 常进行，这是通常的电缆 通信所不能比拟的。因此，光纤通信在电力输配、电气化铁路、雷击多发地区、核 试验等环境中应用更能体现其优越性。 6 重量轻，可挠性好，敷设方便 在传输同一信息量时，光缆的重量比其他通信电缆重量要轻的多。每根光纤的 直径很小，制成光缆后可充分利用地下管道。有二次套塑的光纤，即使以几厘米的 曲率半径弯曲也不会断，施二 时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设。” 2 5 2 光纤通信系统原理框图 简单的光纤通讯系统由电发送机、光发送机、光接收机、电接收机、光中继器 和光纤通道组成。对于分布式母线保护来说，由于通信距离仅限于变电站或发电厂 的高压开关场内，因此不用考虑光中继器，光纤通信系统示意图如图2 7 所示。 r ”一一1 7+ 一 光发送机_ 一一l 一 光接收机 ：一一i f ，： 光t r 通道光中继器 光；r 如逆 l 输入接口，i 吝 2 5 2 1 光发送机 l 图2 7光纤数字通信系统示意图 1 3 华北i 乜力人! 学硕十! 学位论文 光发送机的作用是把输入的电信号转换成光信号并将光信号最大限度地注入光 纤线路。光发送机由光缆、驱动器和调制器组成，发送机的核心是光源。对光源的 要求是输出光率足够大，调制速率高，光谱线宽度和光束发散角小，输出光功率和 光波长要稳定，器件寿命长。目前最广泛使用的光源有半导体激光器( 或称激光二 极管，l d ) 和半导体发光二极管( l e d ) 光发送机把电信号转换成光信号的过程是通过电信号对光源进行调制而实现 的。光调制有直接调制和白j 接调制( 也称外调制) 两秘，。直接调制是利用电信号注 入半导体激光器或发光二极管从而获得相信的光信号。其输出功率的大小随信号电 流的大小而变，这种方式较简单，容易实现，但调制速率受激光器特性限制。外调 制是把激光的产生和调制分开，是在激光形成后再加载调制信号，是用独立的调制 器对激光器输出的激光进行调制。外调制方法在相干通信中得到应用。 2 5 2 2 光纤线路 光纤线路是光信号的传输介质。把来自发送机的光信号以尽可能小的衰减和脉 冲展宽传送到接收机。对光纤的要求是光纤的基本传输参数衰减和色散要尽可能 小。光纤要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是许多根光纤绞合在一起 组成的光缆。整个光纤线路由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。 目6 订使用的光纤均为石英光纤。石英光纤的损耗一波长特性中有三个低损耗的 波长区，即波长为8 5 0 n m 、1310 n m 、15 5 0 n m 三个低损耗区。为此光纤通信系统的 工作波长只能选择在这三个波长窗口。这三个低损耗窗口的损耗分别小于2 d b k m 、 o 4 d b k m 和0 2 d b k m 。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输性能比多模光纤 好，在大容量、长距离的光纤传输系统中都采用单模光纤。 为适合不同要求的光纤通信系统，使用的光纤类型有g 6 5 1 光纤( 多模光纤) 、 g 6 5 2 光纤( 常规单模光纤) 、g 6 5 3 光纤( 色散位移光纤) 、g 6 5 4 光纤( 低损耗光 纤) 和g 6 5 5 光纤( 非零色散位移光纤) 等。 2 5 2 3 光接收机 光接收机的功能是把由光发送机发送的，经光纤线路传输后输出的已产生畸变 和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大、再生恢复为原来的电信号。 光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。对光检测器的要求是相应度高、 噪声低、响应速度快。目前广泛使用的光检测器有光电二极管和雪崩光电二极管。 光接收机把光信号转换为电信号的过程是通过光检测器实现的。光检测器检测 的方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是由光检测器直接把光信号转换为电 信号。外差检测就是在接收机中设置一个本地振荡器和一个混频器，使本地振荡光 和光纤输出的光进行混频产生差拍而输出中频信号，再经光检测器把中频信号转换 14 华北i 电力人学硕士学位论文 成电信号。在这种外差检测方式中，对本地激光器的要求很高，要求光源是频率非 常稳定，谱线宽度很窄，相应和偏振方向可控制的单模激光器。其优点是接收灵敏 度很高。目前实用的光纤通信系统中普遍采用直接调制一直接检测方式。外差检测 用在相干光纤通信，虽然外调制一外差检测的方式技术复杂，但有着传输速率高， 接收灵敏度高等优点，所以是一种有应用前途的通信方式。 衡量接收机质量的主要指标是接收机灵敏度。它表示在一定误码率条件下，接 收机调整到最佳状态时接收微弱信号的能力。接收机的噪声是影响接收机灵敏度的 主要因素。 2 6 分布式母线保护的新型通信网络 2 6 1 方案简述 随着通信技术的发展，数字微波和光纤通信得到普及，尤其是光纤通信在电力 系统种具有广阔的发展前景。4 1 为了满足分布式母线保护实时可靠传输数据的要 求，本文采用了光纤双环型通信网。如图所示，本文以三个单元为例。图中每个单 元均布置于变电站现场，对应于连接于母线上的每一个断路器间隔安装。整个通信 网的拓扑为双向环，每个保护单元都各有光发送模块和光接收模块两个，s 为光发 送模块，r 为光接收模块。其中下面的一对光发送接收组合以顺时针发送数据，上 面的一对光发送接收组合以逆时针发送数据。相邻单元内的光发送模块和光接收模 块之间以光纤连接。各间隔单元的硬件构成完全相同。在各个采样间隔内，各间隔 单元均先后向其它所有间隔单元传递上一时刻采样值。因此经过一个采样问隔后， 各间隔单元都能得到其他所有单元的采样值，以便独立进行算法处理，判别母线是 否发生故障。当母线上的某一回路发生故障时，只将本回路从母线上断丌，而并不 影响其他回路的f 常工作。 s ：s 卜j i 一二= 一：f 二二二i t 蕾卜一董 一，+ 一o f 一! - ；j j + 一 ” j 上一生奠：j：。：，：二：，| 图2 8光纤双环网通信模型 图中的每个单元的具体布置如图2 8 。接口芯片采用d s 9 2 l v l0 2l i2 l2 串行化 器反串行化器，光发送接收模块采用h f b r 1 4 1 4 2 4 1 2 发送接收组合。 1 5 华北电力人! 学硕十学位论文 o 。i 一一一鬻。一：一卜 | | 亮接破； 竺： 一九堕j ，一 _ 分路i f 一塑一： ic p u ! 一一 ；分5 i ，i o ! i _ i i 。一t ：髅。一 一一髅卜一j 。“丫i ； 图2 9单个通讯单元结构图 以下以图2 9 为例，介绍新型分布式母线保护系统数据采集与发送实现的过程。 在t 采样周期，单元一首先处于主发状态，其它单元处于接收状态。此时单元一内 的电开关将光发送模块与c p u 连接，而其它单元内的电丌关将光发送模块与光接收 模块连接。 1 ) 单元一将采集到的数据通过光发送模块变成光信号发送给单元二，单元二的 光接收模块接收到数据后，首先将光信号变为电信号，然后电信号由一路变为两路， 其中一路传送给本单元内的c p u ，另一路传送给光发送模块，再次变为光信号，转 发给下一单元，即单元三。 2 )单元三在收到单元二传来的数据后，同样首先将光信号变为电信号，一路传 给本单元c p u ，另一路传给下一单元，即单元一。 3 ) 单元一收到单元三的数据后，首先校验数据有没有发生错误，如果出错则重 发，如果没有出错，则从主发状态变为转发状态，下一单元即单元二变为主发状态， 单元三保持转发状态不变。为了保证各通讯单元有序发送数据，避免发生冲突。本 方案采用令牌环式的通讯标准，即某单元持有令牌，它处于发信状态，其他单元处 于接收和转发状态。 可以设定c p u 优先接收顺时针方向传来的数据，当顺时针方向的传输通道发生 故障，c p u 则转为接收逆时针方向传来的数据。此外，在传输通道完好无损而某个 单元内的的光发送接收模块产生故障时，该通讯方案仍能保证数据的可靠传输。因 此，该通讯方案完全满足分布式母线保护的要求。 2 6 2 方案评价 本方案具有以下特点： 采用令牌环式的通信标准，即某单元持有令牌，则它处于主发状态，其他单元 1 6 华北i 乜力人：学硕十学位论文 处于接收和转发状态。从而保证了各单元有序、合理的发送采样数据，从而避 免了在同一时刻有几个保护单元同时处于主发状态的情况，保证了通信的高效、 可靠运作。 采用了高速的光发送接收模块h f b r 一14 14 2 4 16 ，数据最高传输速率可达到 15 5 m b i t s ，保证了数据传输的可靠性。局域网与现场总线的共同特点就是各站 点共享同一条通信介质，因此，必须对各站点进行介质时间片的分配，无论采 用轮送协议还是争用协议，都会在一定程度上影响通信的实时性。而对于本方 案来说，每个单元的通信对象都为上一个单元和下一个单元，通信均为点对点 方式，不存在介质共享问题；并且各单元通信目的地址确定且唯一，节省了处 理介质访问的开销。 本方案所采用的通信网为环形拓扑，一般观点认为，如果在环形网上的任一站 点或任一段通信链路损坏，都会使环网无法正常工作，因此其可靠性不如总线 网。但对于母线保护来说，母线上各出线的电流电压量缺一不可，即使分布式 母线保护系统采用总线网的结构，在系统中任一单元发生装置本身的故障而无 法获取该单元的信息的情况下，母线保护也无法做出正确判断，因此仍然需要 将保护退出。从这个角度来看，环形网可靠性不逊于总线网。并且本方案采用 双环冗余配置，进一步增加了通信传输的可靠性。 为了防御变电站强电磁干扰的影响，分布式母线保护的通信介质使用了光纤， 而对于采用总线拓扑或现场总线的分布式母线保护来说，需要使用光星型耦合 器将各站点光纤互连，因此，必须考虑光星型耦合器的价格与可靠性对于整个 系统的影响。而本方案中各站点采用点对点方式，无需使用星型耦合器。 纵上所述，本文所设计的分布式母线保护的通信方案采用了全部面向间隔就地 柿置，简化了装置的内部硬件结构，采用光纤双环通信，提高了通信的速率和可靠 性，保证了通信的实时性，完全适用于分布式母线保护的要求。 1 7 华北电力火学硕士学位论文 第三章分布式母线保护通讯方案的硬件构成 3 1 硬件设计的考虑与介绍 母线保护装置的研制必须考虑其通用性，即适用于多种母线方式。常用的母线 方式有：单母线及单母线分段、双母线、角形母线、一个半断路器接线的母线、多 分段母线。1 以上各种母线方式中，角形母线的保护部分通常都包括在变压器和线路的保护 范围内，因此在多角形接线的母线中，一般不装设母线保护装置。而一个半断路器 接线的母线的保护与单母线保护构成大致相同，多分段母线的保护实际上是双母线 保护的扩展。所以本文以双母线带旁母接线方式作为母线模型来进行研究。 如前所述，本系统的各间隔单元均布置于变电站现场，对应连接于母线上的每 一个断路器间隔( 包括母联或分段断路器、旁路丌关) 安装。因此，在装置组屏时， 母线保护的各间隔单元可以与对应出线的线路保护、断路器控制单元、测量单元布 置于同一屏内，这样就大大减少了安装与维护的工作量。 本文所设计的分布式母线保护通信网为光纤双环通信网，通信网内采用令牌环 式的通信方式。即某单元持有令牌，则它处于主发状态，其他单元处于接收和转发 状态。主站和从站之间状态的切换是通过硬件实现的，即通过一个分路器和电开关 实现的。每个单元的具体配置如图2 9 。通信板的硬佴：构成如图3 1 。 光 电 高速电：篓 发送 丌关殃：h f b r a d1 4 1 4 8 l8 0 接收 图3 1 通信板硬件构成 如图所示，该通信板可以分为两个部分，上半部分用来进行数据的发送，下半 部分用来进行数据的接收和转发。具体流程为： 1 8 一 除怕 f 4 一 h 2 一 一 电光转换： 。 | |：i；i| 一 一 一 l 一 | 、 惭器垂 w 捌 二胖勰咣w 一；，：i啊：!。 ：i 1，： o t 叭 的 t 限 旷v 一曼= d 眦 删+ | | m f 例 一 护息二 扩息一 屎唐二 黜黼一+ 保隹r 麓辅辫 一 华北电力人学硕十学位论文 数据发送： 1 ) d s p 接收a d 采集来的数据，经过处理后存入d s p 内部特定的区域内，等 待令牌到达本单元后进行数据发送。 2 )令牌到达本单元后，d s p 将数据送入f i f o ，f i f o 再将数据存入串行器 d s 9 2 l v l 0 2 1 ，串行器将并行数据转为串行数据，并通过高速电开关a d 8 1 8 0 送 入光发送模块h f b r l 4 1 4 。 3 )光发送模块h f b r l4 l4 将电信号变为光信号后发送到下一单元。 数据接收： 1 ) 光接收模块h f b r 2 4 1 6 接收到其它单元传过来的数据后，将光信号变为电信 号。 2 ) 电信号由一路变为两路，其中一路经高速电开关a d 818 0 重新送入光发送模 块h f b r l 41 4 ，将电信号变为光信号，传给下一单元，实现数据的转发。另 一路经并行器d s 9 2 l v l 2 1 2 ，并行器将串行数据转为并行数据。 3 ) 并行数掘首先在f i f o 内暂存，当各单元数据全部接受完毕后，由f i f o 向 d s p 申请中断，d s p 将数据从f i f o 内读出，存入d s p 内。 3 2 硬件中各芯片的介绍 在该通信板中，使用了一个d s p 一一a d 2 1 9 l ，两个f i f 0 一一i d t 7 2 v o l ，一组 串并并串转换器一一d s 9 2 l v10 21 121 2 ，一个高速丌关一一a d 8l8 0 ，一组光发送接 收模块一h f b r l4 l4 2 4 16 。由于采用了双环冗余配置，所以在实际设计中，各芯 片的实际数量都乘以2 。 3 2 1a d s p 2191 简介 d s p 主要负责数据的采集和处理，一方面，它接收从a d 采集来的数据，经过 处理后传递给下一级，并最终由光发送器h f b r 一14 14 发送出去：另一方面，它接收 由光接收器h f b r 一2 4 l6 传递来的数据，并根据数据判断保护有没有发生故障。 a d s p 2 1 9 l 简介如下： a d s p 2 1 9 1 是美国a d 公司最新推出的一种高效的定点d s p ，主要应用于通讯， 工业控制，语音话音和医疗等方面。它将2 19 x 系列的基本结构( 三个运算单元， 两个数据、地址发生器，一个程序控制器) 和三个串行接口，两个s p i 口，一个u a r t 口，一个d m a 控制器，三个可编程定时器，通用可编程引脚，强大的中断处理能 力和片上程序、数据存储空间结合起来。具有以下特征： 1 6 位定点d s p ，处理能力1 5 5 m i p s 。 片内有16 0 k b y t e 存储器，可配置成3 2 k 16 b i t 数据区和3 2 k 2 4 b i t 程序区。程序 和数据空间统一编址，单周期内可以完成双操作数取址。 】g 华北电力i 火学硕二卜! 学位论文 外部存储器接口：可以分别配置成8 b i t 或l6 b i t ，芯片的地址转换功能和数据打 包功能可实现与外部数据总线接口，以及与外部s r a m 、f l a s h 或e p r o m 相连， 同时外部的时钟频率可调以便与低速存储设备接口。 高效d m a 主机接口，外部主机可通过1 6 位的主机接口对d s p 的整个存储空间、 引导加载空间或内部i o 空间进行读写操作：同时也可配置成8 位的主机接口，以 便与低功耗微控制器接口。 具有3 条支持h 10 0 标准、a 律、u 律以及t 1 e 1 兼容设备的双向多通道串口， 支持可高达2 4 、3 2 甚至1 2 8 条通道的时分多路传输；可与外围设备或其他d s p m c u 进行同步串行通讯；可配置成3 一1 6 位数据宽度。 可进行d m a 操作的u a r t 口，它进行全双工异步通讯的比特率为 6 2 5 m 9 m b i t s 。 两个可进行d m a 操作的全双工s p i 兼容口，可与多种s p i 兼容设备进行通讯。 3 个3 2 b i t 可编程定时器，包括脉宽计数器，p w m 发生器以及外部时钟定时器。 同时可有多达1 1 条d m a 通道进行工作。 3 2 2f i f o ( i d t 7 2 v 0 1 ) 简介l 】 电气电路和光缆之间的接口使用光发送接收模块，光发送接收模块的输入输 出接口均为串行通信接口，使用非平衡传输方式进行数据输入输出。因此在d s p 芯 片与光端机通信模块之间，必须将总线上的并行数据串行化，转换为串行数据，以 便光发送接收模块进行光通信。d s p 接收信号时必须将光发送接收模块输出的串 行信号反串行化，转换为并行数据，进行处理。光缆通信的速率比处理器的处理速 率要高，因此，在串行器、反串行器和处理器的数据总线之间要加入先进先出存储 器，将数据暂时存储，等积累了一定数量的数据之后，由串行化器进行发送或者处 理器接收反串行化器送来的光缆上的数据。 数据总线和串行化器反串行化器之问加入f i f o ，对于数据的传输效率有很大 的提高。i d t 7 2 v 0 1 是由i d t 公司生产的低电压c m o s 异步先进先出存储器，工作 电压为3 0 v 一3 6 v ，如图3 2 所示。有5 1 2 x 9 字节的存储空| 、白j 。它采用满指针和空 指针以防止数据的上溢和下溢，配置了( x i ) 引脚，用来实现芯片的多级连用，以 满足数据位向广度和深度的扩展。 2 0 华北电力大学硕士学位论文 88 是竺忙88 图3 2i d t 7 2 v 0 l 引脚图 数据的写入与写出完全通过读指针( w ) 与写指针( r ) 控制，数据读取时问 最快可以达到2 5 n s 。该装置配有9 位数据线，因此非常方便于数据通信时进行奇偶 校验。该f i f o 采用高速c m o s 技术，可根据设计者需要进行同步或异步数据读取 操作。 在本设计中，数据总线上的数据为八位数据，因此只使用了f i f o 中的低八位 数据作为有效数据。 3 2 3 串并并串转换器d s 9 2 l v10 21 1212 简介7 1 串行化与反串行化芯片选用了 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的 d s 9 2 l v l0 21 121o ，如图6 3 所示，这两个芯片是10 ：1 和1 ：1o 串行化反串行化芯片， 并行数据可以在1 6 m h z - - - 4 0 m h z 时钟下传输，相应的串行数据可以在1 6 0 b p s 一 4 0 0 b p s 的速率下传输。 s n c j s 、n ：2 g i r l0 ： q h j l ；t i 嗡f f s q i6 q ? 。i nn 叶h ， t ：l ke l r t c l k 图3 3d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 2 管脚图 2 l 丽 需 瞻面两一盱飚口昧 ，吕d口口门丁目d、 约勰凹筋笛抖挖纠 一 c a 口 口 a 口引 俜口 o。口驼 侣 u z n u 、 仃口 b 口。 伯口 e0口。 佰口 c0口o 口 5 6 7 8 9 他俘 一 y口口口口口口口口，口 似 陇c5雨浮qq 华北电力大学硕士! 学位论文 d s 9 2 l v l 0 2 l 1 2 1 0 有三个f 常工作状态，即初始化、数据传输、重新同步；两 个低功耗状态，即休眠和三态。在传输数据之前，d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 0 首先进行初始 化，使各自芯片内部的频率锁存器锁定外部工作频率，然后二者之间还要进行频率 同步，此后才能进行数据传输，在初始化没有完成之前，串行化反串行化芯片的数 据管脚均处于高阻状态。当二者频率出现一定偏差时，二者管脚重新变为高阻状态， 重新同步，重新同步由管脚l o c k 控制。当没有数据传输时，管脚p w r d n 由高变 为低，此时芯片处于低功耗状态。当管脚d e n 置低时，d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 0 进入三 态，此时不能进行数据传输，当d e n 重新置高后，d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 0 又重新回到 原来的状态。 3 2 4 光发送接收模块h f b r l 4 1 4 2 4 1 6 简介8 1 光发送接收模块采用的是a g i l e n t 公司生产的h f b r l 4 1 4 2 4 1 6 光发送接收组 合。它为8 引脚d i p 封装，6 2 5 1 2 5 , u m 光纤连接，光连接器为s t 标准，工作温度 范围在一4 0 8 5 0 c ，发射光波长为8 2 0 n m ，其电路图实现如图3 4 所示： e 盘c rrni)s茸rti 弓h f s r - i 缸xr 。：矗西酬兰 一- j 二固h f b r a 2 4 x 2 耠- - - + i l lda蛳ia o u r t c e e r l r r a n s f l $ s l o n ， 0 i s i a e = 图3 4 直流耦合型光纤通信系统 h f b r 。2 4 1 6 是一种将光检测器、直流运放以及集电极丌路肖特基管集成为一体 的光接收器，它可以与普通逻辑电路直接连接，可检测脉冲的上升沿、下降沿，接 收d c 1 2 5 m b p s 任意占空比的数据。h f b r 1 4 1 4 2 4 1 6 组合的b e r 为1 0 一，最高传 输速率15 5 m b i t ，最高数据传输距离为4 k m 。考虑到本装置布置于丌关场内，这种 组合应能满足工程实用。 光发送模块将接收来的光信号进行光电转换后，电信号被分为两路，其中一路 送入反串行化器d s 9 2 l vl2 1o 经串并转换后交由d s p 进行处理。另一路则接入高速 开关a d 8l8 0 。a d 818 0 为美国a d 公司生产的高速低功耗电丌关，其开关转换频率 可达7 5 0 m h z 。当本单元主发时，a d 8 l8 0 将d s 9 2 l v l 0 2 l 和h f b r l 4 1 4 连接起来， 当本单元处于转发状态时，a d 8 1 8 0 将h f b r 2 4 1 6 和h f b r l 4 1 4 连接起来。从而实 现了数据的高速转发。 由于a d s p 219 1 的通用i o 接口比较少，因此数据采集板上使用了一片c p l d 作为通用i o 的扩展接v 1 。d s p 芯片将a d 转换器、f i f o 、串行化反串行化器等 2 2 华北电力大学硕十! 学位论文 器件都作为统一的外设，对每一外设进行地址编码。通过c p l d 将d s p 的外设操作 信号转换为对具体芯片的控制信号。这样在程序的效率以及整体电路工作的协调性 上都由了很大的提高。 3 3 硬件设计 3 3 1a d s p 2 1 9 1 的接线图 a d s p 219 1 的接线图如3 5 所示，2 2 位的地址线可以查询4 m 的存储空间，16 位的数据线可以并行传送16 位数据。p f 5 引脚控制并串转换器d s 9 2 l v l0 2 1 发送同 步